存儲式補償中子測井儀研制

曾曉豐，蔡志明，吉　兆，張雄輝，陳召軍

(川慶鉆探工程有限公司測井公司　重慶 　400021)

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·開發設計·

存儲式補償中子測井儀研制

曾曉豐，蔡志明，吉兆，張雄輝，陳召軍

(川慶鉆探工程有限公司測井公司重慶 400021)

摘要：介紹了存儲式補償中子測井儀器的研制過程。儀器設計的關鍵是在外徑小的情況下尋找探測器最佳源距以及儀器硬件、軟件的設計。通過建立蒙特卡洛模型和利用在標準刻度井的實際測量數據來確定合理的源距。重點介紹了儀器的源距選擇、儀器硬件電路設計、軟件設計流程等。現場測井證實儀器設計是合理的，能較好地反映地層的相關信息。

關鍵詞：存儲式；補償中子測井儀；蒙特卡洛模型

0引言

存儲式補償中子測井儀是一種具有兩道熱中子探測器的中子強度測井儀器，與常規補償中子測井儀一樣，主要通過沿井剖面測量同位素中子源造成的熱中子通量密度來解決某些地質問題[1]，使用的是源為18ci的各向同性Am-Be源[2]，但儀器外徑僅有60 mm。存儲式補償中子測井儀通常下端連接偏心井徑儀達到源倉緊貼井壁的效果。測井時將長、短源距計數等數據存儲在儀器內部，測井結束后與地面系統連接，讀取數據、計算和時深轉換后可以測定裸眼井的地層孔隙度以及判斷巖性。多口復雜井的施工作業表明，存儲式補償中子測井儀設計是可靠的。本文介紹存儲式補償中子測井儀的設計與實現。

1模擬研究

存儲式補償中子測井儀設計關鍵就在于擬合出最佳的源距。通過建立模型和在標準刻度井刻度數據進行分析，可模擬出在不同源距的情況下，孔隙度與熱中子通量的關系，從而選擇合理的源距。

1.1建立蒙特卡洛模型

需要建立的模型有兩個：井模型和中子源模型。井的模型以西安中油測井標準刻度井群的數據[3]為基礎建立，模型如圖1所示。考慮到勘探井實際情況，模型的井眼大小為200mm，巖層的孔隙度變化范圍為13.2%、20.2%、30%、37.2%。井眼流體為淡水，儀器在的井眼中處于偏心狀態。源的模型為單能量而且各向同性的點源。長、短源距探測器可根據模擬的需要移動位置以改變源距。

圖1　模擬井模型

1.2模擬測井規律

長、短源距均使用的是He3探測器，它對1eV能量以下的熱中子具有較大的探測效率[4]，當探測器探測到一個熱中子時產生一個計數脈沖，測井是以脈沖個數來標定孔隙度的，熱中子通量與He3探測器產生的脈沖個數成正比關系。可以通過此關系研究熱中子通量與孔隙度變化的規律。

圖2為四個孔隙度條件下熱中子通量與源距的模擬關系圖。從圖中可以看出，15～20cm之間為不同孔隙度的交叉帶，He3探測器的靈敏度很低。源距進一步減小時，熱中子通量隨孔隙度的增加而增大，這是由于氫原子使中子能量迅速減到熱中子能級。如果增加源距(≥20cm)，熱中子通量隨孔隙度的增大而減小，中子在遷移這樣的距離之前，已被減速和俘獲。

圖2　不同孔隙度條件下熱中子通量與源距的對應關系

因此探測器與源的距離必須小于10 cm或最好大于30 cm。當源距小于10 cm時，孔隙度增大，計數率上升，對于補償中子測井來說意義不大。若選擇的源距大于30 cm時，孔隙度增大，計數率減小。隨著源距的增加，計數率比值呈指數減小，地層探測的靈敏度隨著源距的增加而增加。若隨著源距繼續地增加，熱中子通量將呈指數下降，即計數率值急劇減小，測量的統計誤差增大因此不能選擇太大的源距。

1.3源距的選擇

由于長、短源距探測器計數率與源距離變化趨勢一樣[5]，從提高儀器分辨能力來說，源距大點好一些。但是源距增大，計數率以指數規律下降，統計誤差大增，使測量的數據精度變差。由于是補償法測量，需依據長短源距計數率的比值與孔隙度的關聯來實現測量，因此根據不同孔隙度條件下熱中子通量與源距的對應關系分析，在圖1模型中設置存儲式補償中子測井儀的短源距為30～40cm，長源距為50～65cm，并模擬計算長短源距計數率比值隨孔隙度變化關系圖，如圖3所示。

圖3　模擬數據與刻度井實測數據對比

2儀器設計

2.1機械結構設計

存儲式補償中子測井儀最高耐溫為175℃，最高承壓為140 MPa，儀器外徑為60mm，受外徑限制，儀器沒有保溫瓶設計。主要包括電子線路部分、探測器部分和中子源短節部分。上下接頭均采用連接方便的WTS結構。儀器結構示意圖如圖4所示。

圖4　存儲式補償中子測井儀結構示意圖

2.2硬件電路設計

存儲式補償中子測井儀硬件部分由長、短源距探測器、前置放大電路、信號處理電路、高壓模塊電路等組成。

長、短源距探測器輸出的脈沖經前置放大電路放大，再在信號處理電路板上進行緩沖放大，進入混合電路進行處理，由里面的脈沖幅度對比電路甄別掉噪聲后輸入到分頻器中分頻，分頻后的信號由整形器將它整形成幅度和寬度一致的脈沖輸出，輸出的長、短源距脈沖信號輸入到數據存儲電路存儲。高壓電源產生一組高壓，經過高壓濾波板處理輸出，分別提供長、短源距探測器使用。硬件電路框圖如圖5所示。

圖5　硬件電路框圖

2.3軟件設計

數字信號處理器DSP控制井下儀器的數據存儲電路的工作，其工作過程為：準備測井時，利用地面系統主計算機的串行通信，通過臨時連接與準備下井的存儲補償中子測井儀進行通信，向井下數據采集系統授時，使地面系統與井下部分時鐘校準一致。地面系統主計算機記錄鉆具下井深度與時間的對應關系，儀器供電后DSP處理器控制以等時的方式將井下儀器送來脈沖信號進行采樣，并將采樣數據與時間以文件的形式記錄在大容量存儲器中，從而獲得數據與時間的對應關系，進而能取得深度與數據的對應關系。為了防止存儲器出現壞區而丟失數據，采用壞區管理技術，防止數據存儲在壞區，較大提高了存儲數據的安全性。存儲式補償中子測井儀與地面系統的通訊控制是由中斷服務子程序來實現的，當總線上有命令信號時轉向中斷服務子程序，子程序解碼、編碼命令，并根據命令中包含的地址信息來判斷是否為本儀器命令，若為本儀器命令，則執行讀取存儲數據并上傳數據等工作。程序流程如圖6所示。

圖6　程序流程圖

3設計驗證

3.1標準井對比

儀器設計完成后在標準刻度井刻度并記錄了長短源距計數率比值隨孔隙度變化關系，與最初模擬的數據基本一致，如圖3所示。同時，與5700補償中子測井儀在標準井中進行對比，圖7中實線是5700補償中子測井儀在標準刻度井的測井曲線，虛線是存儲式補償中子測井儀在標準刻度井的測井曲線。可以看出，存儲式補償中子測井儀在同一地層所測值與5700補償中子測井儀基本一致，中低孔隙度的巖層誤差控制在7%以內。

圖7　存儲式補償中子測井儀與5700補償中子測井儀標準井資料對比圖

3.2現場驗證

儀器在重慶地區某大斜度井與5700補償中子測井儀進行測井資料對比。井底溫度129℃；泥漿密度2.28 g/cm3；測量井段3064.01～4782.00m。測井資料如圖8所示。

圖8　存儲式補償中子測井儀與5700補償中子測井儀測井資料對比圖

從現場測井資料對比看，存儲式補償中子測井儀與5700補償中子測井儀在4430～4435m，孔隙度超過40%的井段一致性差，低于40%的井段基本一致。由于受儀器外徑限制，存儲式補償中子測井儀只適合測量小于40%的孔隙度，儀器性能達到了預期設計效果。

4結論

1)存儲式補償中子測井儀投入測井施工已有一年的時間，根據現場應用情況來看，能較好地反映地層真實信息，設計是成功的。

2)由于儀器外徑只有60mm，探測器變小，建立新的計算模型并將模擬與刻度數據相結合是確定儀器最佳源距的有效設計手段。

3)通過模擬數據和刻度數據對比分析發現，模擬與刻度數據基本一致。因此利用模擬方法設計儀器可有效降低設計成本。

參 考 文 獻

[1] 黃隆基.核測井原理[M].東營:石油大學出版社,2000:102-119.

[2] 張鋒,袁超,黃隆基.中國同位素中子源測井技術與應用進展[J].2011,24(1):12-19.

[3] 國家經濟貿易委員會.SY/T6582.4-2003 石油核測井儀刻度第4部分:補償中子測井儀刻度[R].北京:石油工業出版社,2003:1-12.

[4] 嚴巖,李炳營,鄭世平,等. D-D中子源孔隙度測井的蒙特卡洛模擬[J].蘭州大學學報:自然科學版,2012,56(3):123-127.

[5] 夏凌志,張建民,楊志高,等. 蒙特卡羅方法在補償中子測井儀器設計中的應用[J].測井技術. 2003,27(6):477-480.

Development of Memorized Type Compensated Neutron Instrumen

tZENG Xiaofeng，CAI Zhiming，JI Zhao，ZHANG Xionghui，CHEGN Zhaojun

(WellLoggingCompanyChuanqingDrillingEngineeringCO.LTD，CNPC,Chongqing400021，China)

Abstract：The designing process of the memorized type compensated neutron logging instrument is introduced. The key of the designing is the design of hardware and software of the instrument and choosing the distance between the probe and radiation source in the case of small diameter. The reasonable distance between the probe and radiation source was determined through the establishment of the Monte Carlo model and the use of the actual measurement data in the standard calibration well. The selection of the distance between the probe and radiation source, hardware circuit design, software design process are introduced emphatically. The on-site logging showed that the design is reasonable, which can better reflect the relevant information of the formation.

Key words：memory; compensated neutron logging tool; the Monte Carlo model

(收稿日期：2015-12-01編輯：姜婷)

中圖法分類號：P631.8+17

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0015-04

第一作者簡介：曾曉豐，男，1976年生，高級工程師，2000年畢業于西南石油大學測控技術專業，現在川慶測井公司從事測井儀器的研發工作。E-mail:clszxf@163.com